Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Сейчас сам БАК работает без сбоев, детекторы CMS и ATLAS функционируют на максимуме своих возможностей, данные быстро распределяются и анализируются в разных точках мира, все компоненты находятся в готовности для полномасштабной атаки на важные проблемы физики элементарных частиц. Одну новую частицу поймали, но на этом наши поиски не останавливаются.
Глава 7
Частицы и волны
Мы предпологаем, что все во Вселенной построено из полей – силовых полей, которые притягивают и отталкивают, и полей вещества, из колебаний которых образуются частицы.
Хип-хоп-дуэт Insane Clown Posse, известный своими провокативными текстами и страшным клоунским гримом, в 2010 году выпустил скандальный сингл «Чудеса». К тому времени Вайолент Джи и Шэгги-2 Доуп (сценические псевдонимы музыкантов) уже привыкли к скандалам. В частности, однажды они ввязались в распрю с известным рэпером Эминемом, позже неудачно поработали в качестве профессиональных борцов, а на одном из концертов совершенно шокировали почтенную публику и лишь потом обнаружили, что выступали совсем не там, где думали. Insane Clown Posse поют о некрофилии и каннибализме, в одной песне позволили себе обидеть Санта-Клауса, а как-то после представления Вайолента Джи даже арестовали – он 30 раз ударил одного из зрителей микрофоном.
Но скандальные «Чудеса» – это нечто иное. На сей раз ребята своими песнями хотели не шокировать, а обратить внимание своих поклонников на красоту окружающего нас мира. Это звучало примерно так:
Остановитесь и посмотрите вокруг,
Как все это поразительно:
Вода, огонь, воздух и грязь
Чертовы магниты,
Как же они работают?
В Интернете этот небольшой отрывок приобрел довольно широкую известность, особенно среди блогеров, имеющих отношение к науке, – они-то были уверены, что, напротив, имеют довольно хорошее представление о том, как работают магниты.
Я хотел бы сказать несколько слов в защиту Insane Clown Posse. Да, мы уже довольно давно узнали, что такое магнетизм, и занялись его изучением, а обычно в результате научных исследований наше понимание природных явлений углубляется, и все меньше места остается для магии и чудес. Однако музыканты нащупали чувствительную точку, и мы действительно упустили нечто очень важное и не заметили, что магниты – на самом деле довольно странная штука.
В магнитах удивительно не то, что они притягивают металл – множество предметов прилипает ко многим другим предметам, например гекконы и жевательная резинка – к стенке. Удивляет в магните то, что когда вы подносите его близко к куску металла, то можете почувствовать это притяжение еще до того, как они соприкоснутся. Магниты не похожи на скотч или клей, которые, чтобы прилипнуть к чему-то, должны находиться в контакте с этим чем-то. Магниты словно чувствуют присутствие предметов, удаленных от них в пространстве, и тянут их к себе. Подумайте – все это довольно странно.
Физики называют такого рода явление «действием на расстоянии», и оно вызывает недоумение не только у Вайолента Дж. и Шэгги 2 Доупа, но и у величайших умов мира. В последнее время нас это стало удивлять меньше, поскольку мы поняли, что пространство, через которое магнит дотягивается до металлических предметов, – на самом деле совсем не «пустое». Оно заполнено магнитным полем – невидимыми силовыми линиями, выходящими из магнита, которые готовы захватить любой восприимчивый к магнитному полю объект, встречающийся на их пути. Мы можем сделать эти силовые линии видимыми, если приложим магнит снизу к бумажке, на которую насыпаны железные опилки, и тогда они, выстроившись вдоль силовых линий, образуют красивые узоры.
Магнитное поле существует в пространстве независимо от того, притягивает магнит что-нибудь или нет. Если есть магнит, то есть и магнитное поле вокруг него, хотя мы и не можем его увидеть. Поле сильнее, когда мы приближаемся к магниту, и слабее – когда удаляемся. На самом деле магнитное поле есть абсолютно в каждой точке пространства, независимо от того, есть ли поблизости магниты. Поле может быть достаточно маленьким – или даже нулевым, – но в каждой точке значение магнитного поля измеримо. (Естественно, это не поле каждого отдельного магнита, а результирующее магнитное поле: поставьте два магнита рядом друг с другом, и их поля просто сложатся.)
Не уверен, что членам дуэта Insane Clown Posse это было интересно, но должен заметить, что важность полей далеко не исчерпывается магнитами. Мир действительно состоит из полей. Иногда вещество Вселенной в силу странности квантовой механики кажется образованным из частиц, но на самом деле по своей сущности частицы – те же поля. Пустое пространство, вакуум, не так пусто, как кажется. В каждой точке существует множество полей, каждое из которых принимает то или иное значение – или, точнее, из-за принципа неопределенности квантовой механики, целый набор возможных значений, которые мы в принципе могли бы наблюдать.
Говоря о физике элементарных частиц, мы обычно не акцентируем внимание на том, что на самом деле говорим о «физике полей». Но именно ее мы и имеем в виду. Цель этой главы – помочь вам привыкнуть к тому, что именно квантовые поля в теперешних научных представлениях являются основными строительными блоками мироздания.
Нельзя считать, что сами поля «сделаны из чего-то». Поля – это то, из чего состоит мир, и мы не знаем никакого более глубокого уровня реальности. (Может быть, теория струн откроет нам что-то новое, но пока еще она находится в ранге гипотезы.) Магнетизм переносится полем так же, как гравитация и ядерные силы. Даже то, что мы называем «веществом», сформировано из таких частиц, как электроны и протоны, а они на самом деле – просто колебания полей. Частица, которую мы называем бозоном Хиггса, очень важна, но важна не столько она, сколько поле Хиггса, из колебаний которого она образуется и которое играет центральную роль в устройстве нашей Вселенной. Удивительно, не правда ли?
В первых главах мы дали краткое описание частиц Стандартной модели и отметили, что все частицы возникают в виде колебаний соответствующих полей. В нескольких предыдущих главах мы рассмотрели ускорители (в том числе БАК) и детекторы, которые помогают нам исследовать субатомный мир. В этой и последующих главах мы собираемся вернуться немного назад и более пристально присмотреться к концепции полей, а также к тому, как частицы возникают из полей, как симметрия приводит к появлению сил и как поле Хиггса может нарушить симметрию и привести к тому разнообразию частиц, которое мы видим вокруг себя. И после этого у нас появится реальная возможность понять, как экспериментаторы охотятся на бозон Хиггса и что означает утверждение, что он нашелся.
Гравитационное поле
Сегодня общепринято: поля окружают нас везде, но для того, чтобы ученые начали думать в категориях «теории поля», потребовалось время. Вам может показаться, что понятие гравитационного поля еще более очевидно, чем понятие магнитного поля. Но это совершенно не очевидно.
Самая знаменитая история про гравитацию – это апокриф про Исаака Ньютона и яблоко, которое якобы упало ему на голову, вдохновив на открытие теории всемирного тяготения. (Эта история стала такой знаменитой в основном из-за того, что сам Ньютон не переставал ее пересказывать – видимо, ему хотелось добавить ярких красок в свою репутацию гения, хотя это было уже совершенно излишним.) Утверждалось, что яблоко помогло Ньютону «изобрести» или «открыть» гравитацию, но, если минуточку подумать, сразу понимаешь, что эти слова вообще-то не имеют никакого смысла. Люди знали о гравитации и до Ньютона – и, как правило, все замечали, что яблоки падают вниз, а не вверх.
Но только Ньютон осознал, что между падением яблока и движением планет существует связь. Он не изобрел гравитацию, но понял, что она универсальна: гравитационное притяжение, которое заставляет планеты вращаться вокруг Солнца, а Луну вокруг Земли – та же самая сила, которая притягивает яблоки к земле. Кто-то скажет, что это ньютоновское прозрение не заслуживает того, чтобы о нем складывались легенды. В конце концов, что-то удерживает планеты от того, чтобы улететь прочь в межзвездное пространств, и, с другой стороны, что-то заставляет яблоко падать на землю, так почему эти «что-то» не могут быть одним и тем же?
Если вы так думаете, то только потому, что живете в постньютоновском мире. Пока Ньютон не объяснил всего этого, люди не считали Землю ответственной за такое поведение яблока, а полагали, что оно само виновато в своем падении. Аристотель, например, считал, что различным видам материи присущи различные, но естественные состояния. Естественное состояние массивного тела – лежать на земле. Поднявшись же над землей, оно будет стремиться на нее упасть.
